汽车领域嵌入式微控制器 (MCU) 的解决方案

　　当今竞争激烈的汽车市场要求车辆能够提供卓越的驾驶特性、低油耗以及最新的舒适功能和便利性，例如带记忆功能的座椅系统、无钥匙进入、集成导航以及驾驶员辅助。幸运的是，制造商可以通过嵌入式微控制器 （MCU） 提供的智能来满足这些需求，这使他们能够在中端甚至经济模型中提供高级功能。

　　汽车环境带来了许多挑战。设备必须满足严格的安全性和可靠性标准。它们必须在很宽的温度范围内（通常为 –40°C 至 125°C）保持稳健，提供静电放电 （ESD） 保护和低电磁干扰 （EMI）。现代线控车辆要求设备与各种协议兼容，包括控制器局域网 （CAN） 总线和本地互连网络 （LIN） 标准。

　　汽车领域 MCU 的两个关键活动领域包括车身电子和网关模块。车身电子设备包括 HVAC、照明（内部和外部）、座椅定位、后视镜调节和安全/安全功能，例如无钥匙进入、防盗锁和轮胎压力监测系统。其中许多任务，例如保持客舱内的设定温度，都在几分钟而不是微秒的时间尺度上运行。因此，Silicon Labs Inc. 的 C8051F52xA 和 C8051F53xA 等 8 位 MCU可以提供有效且经济的解决方案，尤其是对于廉价汽车而言。

　　C8051F5xxA 系列符合汽车电子委员会标准 AEC-Q100 的汽车应用要求，配备 25 MIPS 8051 CPU，以及可编程 24.5 MHz 内部振荡器，在 -40°C 的工作温度范围内稳定在 ±0.5% 以内至+ 125°C。（图1）。这些器件包括 8 kB 片上闪存和 256 字节片上 RAM。一系列集成功能，包括可编程比较器、稳压器和片上温度传感器，可降低成本和设计复杂性，同时加快产品上市时间。这两款芯片的 I/O 端口数量不同，C8051F52xA 提供多达 16 个 I/O 端口，而 C8051F53xA 提供 26 个。

　　图 1：8 位 C8051F5xxA 系列微控制器具有集成的可编程比较器、稳压器和片上温度传感器，可简化设计。（由 Silicon Labs Inc. 提供）

　　在当今高度网络化的车辆中，系统级通信至关重要。C8051F5xxA 系列拥有专用的 LIN 2.0 控制器，可处理电动车窗等功能的低优先级单向数据传输。同时，控制器可以通过车辆的 CAN 网络与其他子系统连接。

　　32 位解决方案

　　传动控制等动力总成应用需要更高的处理速度和更强大的功能。在这里，像AT32UC3C这样的 32 位 MCUAtmel Corp. 的家族可以提供有效的解决方案。AT32UC3C 基于 AVR32UC RISC 处理器，由一个完整的片上系统微控制器组成，在高达 66 MHz 的速度下提供 1.49 DMIPS/MHz。它具有高达 512 kB 的片上闪存和高达 64 kB 的片上 SRAM。数据接口旨在最大限度地提高速度并最大限度地减少延迟（图 2）。

　　图 2：AVR32UC CPU 包括三个高速存储器接口：一个高速总线主控器，每个用于指令获取和数据访问，加上一个高速总线从属器，允许总线主控器访问 CPU 内部的 RAM。片上 RAM 可以最大限度地减少延迟。（由爱特梅尔公司提供）

　　该器件具有多种外设，包括一个 16 通道、12 位模数转换器和一个四通道、12 位数模转换器。尽管外设构成了 MCU 的主要优势，但管理它们会占用很大比例的 CPU，更不用说引入抖动和延迟。为了解决这些问题，AT32UC3C 将外围设备与内部通信结构连接起来。该方法允许芯片将事件从一个外设重定向到另一个外设或从输入引脚重定向到外设。因此，它可以触发诸如基于脉宽调制 （PWM） 波形的 ADC 捕获等动作，而无需 CPU 干预，从而减少计算开销并最大限度地减少延迟。

　　类似地，存储器直接存储器访问控制器（MDMA）和外围直接存储器访问控制器（PDCA）控制器可以分别在存储器位置之间或存储器位置与外围设备之间传递数据，而无需处理器的帮助。该方法释放 CPU 以运行应用程序或切换到空闲模式，从而节省电力。

　　高性能汽车安全

　　汽车应用必须达到最高的可靠性标准。为了保护车辆和操作员，AT32UC3C 监控其主时钟。如果检测到故障，它会切换到本地 115 kHz RC 振荡器，该振荡器既可以作为常规操作的备份，也可以支持关闭过程。看门狗定时器提供了额外的安全级别，允许系统在启动期间监控性能以确保正常运行。此类计时器通常通过软件运行，这带来了在应用程序代码损坏的情况下它们可能无法提供故障安全中断的威胁。为了防止这种类型的故障，例如检测系统是否陷入循环，AT32UC3C 集成了一个窗口看门狗定时器——如果操作不在用户定义的窗口内发生，

　　驾驶员辅助功能需要多核 MCU 可能最好支持的高速操作（请参阅之前的 TechZone SM文章“多核 MCU 提供新的嵌入式选项。”）。多核 MCU 可用于同构（多个相同的内核）或异构（多个不同的内核）架构，允许用户分而治之的处理任务。这些设备提供更高的计算密度和灵活性。每个内核可以执行不同的操作，同时共享内存并与其他内核交换数据。内核甚至可以在不同的操作系统上运行。也许最重要的是，多核 MCU 支持多线程进行并行处理；让设计师可以自由地管理他们认为合适的任务。

　　与多核计算平台一样，多核 MCU 可以使用管理程序进行虚拟化，以允许动态分配内存和处理能力。与使用管理程序在给定内核上提供多个服务器的计算环境不同，嵌入式系统可能会虚拟化单个硬件，例如，允许多个系统组件通过它进行通信。如果使用得当，多核 MCU 可以整合多个单控制器的操作，降低成本和尺寸，同时最大限度地提高功率和效率。德州仪器

　　的TMS570 _为用户提供了具有同步运行的双 ARM Cortex R4 内核的同质平台或集成 Cortex R4 和 Cortex ARM M3 内核的异构平台的选择（图 3a）。该异步设备符合 IEC 61508 安全完整性等级 3 （SIL3）（危险故障概率低于每小时10 -3 ），专为安全关键型汽车应用而设计，例如驾驶员辅助。内核以 160 MHz 的最高速度运行，提供优于 250 DMIPS 的性能。高可靠性功能包括 CPU 逻辑和内存的内置自检 （BIST）、循环冗余检查器模块和错误信号模块（图 3b）。

　　图 3a：TMS570 具有锁步内核、内置自检和循环冗余检查器模块，符合 IEC 61508 安全完整性等级 3。（德州仪器公司提供）

　　图 3b：为了消除潜在的常见故障模式，该设计在其中一个处理器中引入了延迟，然后比较输出信号。（由 Texas Instruments 提供）

　　这些设备提供高达 2 MB 的片上闪存和高达 160 KB 的 RAM。外设包括 32 个 nHET 定时器通道和一对支持多达 24 个输入的 12 位 A/D 转换器。MCU 还包括一个两通道 FlexRay 接口和最多三个 CAN 接口。

　　尽管我们还没有实现专家们在 1990 年代中期预测的完全自动驾驶体验，但即使是今天的低成本汽车也具有令人印象深刻的智能和功能程度。明天的汽车肯定会更加先进，汽车工程师不会很快摆脱相互冲突的设计需求的挤压。然而，凭借单核和多核 MCU 提供的功能，它们能够应对挑战。